RU2270820C2 - Polycrystalline diamond with catalytic material-depleted surface - Google Patents
Polycrystalline diamond with catalytic material-depleted surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2270820C2 RU2270820C2 RU2003107667/03A RU2003107667A RU2270820C2 RU 2270820 C2 RU2270820 C2 RU 2270820C2 RU 2003107667/03 A RU2003107667/03 A RU 2003107667/03A RU 2003107667 A RU2003107667 A RU 2003107667A RU 2270820 C2 RU2270820 C2 RU 2270820C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pka
- diamond
- working surface
- cutting
- catalytic material
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Предпосылки создания изобретенияBACKGROUND OF THE INVENTION
1. Область техники изобретения1. The technical field of the invention
Настоящее изобретение относится к элементам, изготовленным из материала со сверхтвердой поверхностью, работающим в условиях трения, резки, волочения, при которых требуются технические сверхтвердые поверхности. В частности, настоящее изобретение относится к элементам из поликристаллических алмазов и поликристаллическим алмазоподобным элементам (называемым далее ПКА) с повышенной износостойкостью и способам их изготовления.The present invention relates to elements made of a material with a superhard surface, operating under conditions of friction, cutting, drawing, which require technical superhard surfaces. In particular, the present invention relates to elements made of polycrystalline diamonds and polycrystalline diamond-like elements (hereinafter referred to as PKA) with increased wear resistance and methods for their manufacture.
2. Описание аналогов2. Description of analogues
Элементы из поликристаллических алмазов и поликристаллические алмазоподобные элементы в настоящем описании называются элементами ПКА. Элементы ПКА изготавливаются из материалов на основе углерода с исключительно малыми межатомными расстояниями. Один тип поликристаллического алмазоподобного материала известен как карбонитрид, описанный в патенте США №5776615. Ниже более подробно описан другой, более часто используемый вид ПКА. В общем, элементы ПКА изготавливаются из смеси материалов, обрабатываемых при высоких температурах и под высоким давлением с получением поликристаллической матрицы взаимосвязанных сверхтвердых кристаллов на основе углерода. Общей особенностью элементов ПКА является использование в процессе их образования катализирующих материалов, наличие остатков которых часто накладывает ограничение на максимально допустимую рабочую температуру элемента.Polycrystalline diamond elements and polycrystalline diamond-like elements are referred to herein as PKA elements. PKA elements are made of carbon-based materials with extremely small interatomic distances. One type of polycrystalline diamond-like material is known as carbonitride, as described in US Pat. No. 5776615. Another more commonly used type of PKA is described in more detail below. In general, PKA elements are made from a mixture of materials processed at high temperatures and under high pressure to produce a polycrystalline matrix of interconnected carbon-based superhard crystals. A common feature of PKA elements is the use of catalyzing materials in the process of their formation, the presence of residues of which often imposes a limitation on the maximum allowable working temperature of the element.
Известен ПКА-элемент, изготавливаемый в виде двуслойного или многослойного ПКА-элемента с наружной пластиной поликристаллического алмаза, составляющей единое целое с подложкой, изготовленной из менее твердого материала, например из карбида вольфрама. ПКА-элемент может быть в виде круглой или полукруглой таблетки или иметь другую форму, которая подходит для соответствующего применения, например для использования в качестве обжимки, радиатора, подшипников скольжения, поверхностей трубопроводной арматуры, инденторов, инструментальных оправок и т.п. ПКА-элементы этого типа можно использовать почти в любой сфере, где необходим твердый износостойкий и эрозионно-стойкий материал. Подложка ПКА-элемента может припаиваться к носителю, выполняемому часто из спеченного карбида вольфрама. Так обычно делают, если ПКА используется в качестве режущего элемента, например в качестве породоразрушающих головок с неподвижными или шарошечными резцами, устанавливаемыми в гнезде бурового долота или фиксированными в резцедержателе обрабатывающего станка. Эти ПКА-элементы обычно называются поликристаллическими алмазными резцами.Known PCA element, made in the form of a two-layer or multilayer PKA element with an outer plate of polycrystalline diamond, which is integral with a substrate made of less solid material, for example, tungsten carbide. The PKA element can be in the form of a round or semicircular tablet or have another shape that is suitable for the corresponding application, for example, for use as crimp, radiator, plain bearings, surfaces of pipe fittings, indenters, tool holders, etc. PKA elements of this type can be used in almost any field where a solid wear-resistant and erosion-resistant material is required. The substrate of the PCA element can be soldered to a carrier, often made of sintered tungsten carbide. This is usually done if the PKA is used as a cutting element, for example, as rock cutting heads with fixed or cone cutters installed in the socket of the drill bit or fixed in the tool holder of the processing machine. These PKA elements are commonly called polycrystalline diamond cutters.
Другим видом ПКА-элемента является единичный ПКА-элемент без выполняемой заодно с ним подложки, когда грань поликристаллического алмаза крепится к инструменту или поверхности износа с помощью механических приспособлений или микросварки. Эти ПКА-элементы отличаются от описанных выше тем, что алмазные частицы распределены по всему элементу. Эти ПКА-элементы могут удерживаться на месте механическим способом, вставляться в более крупный ПКА-элемент с подложкой, или, в другом варианте, они могут изготавливаться с металлическим слоем, который крепится с помощью пайки или сварки. Из одного ПКА можно изготовить много таких ПКА-элементов, как это показано, например, в патентах США №4481016 и 4525179, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок.Another type of PKA-element is a single PKA-element without a substrate being performed along with it, when the face of a polycrystalline diamond is attached to the tool or wear surface using mechanical devices or microwelding. These PKA elements differ from those described above in that the diamond particles are distributed throughout the element. These PKA elements can be mechanically held in place, inserted into a larger PKA element with a substrate, or, in another embodiment, they can be made with a metal layer that is fastened by soldering or welding. Many PKA elements can be made from one PKA, as shown, for example, in US Pat. Nos. 4,481,016 and 4,525,179, which are hereby incorporated by reference.
ПКА-элементы чаще всего изготавливают спеканием алмазного порошка с подходящим связующим-катализирующим материалом под высоким давлением и при высокой температуре. В патенте США №3141746, который приводится в данном случае в качестве ссылки, описан один соответствующий способ получения такого поликристаллического алмаза. В соответствии с одной технологией изготовления ПКА-элементов алмазный порошок наносится на поверхность предварительно выполненной подложки из карбида вольфрама, содержащей кобальт. Затем эта сборка подвергается действию сверхвысокой температуры и давления в прессе. Во время этого процесса кобальт мигрирует из подложки в слой алмаза и действует в качестве связующего-катализирующего материала, обеспечивая связывание алмазных частиц друг с другом, а также соединение алмазного слоя с подложкой.PKA elements are most often made by sintering diamond powder with a suitable binder-catalyzing material under high pressure and at high temperature. US Pat. No. 3,141,746, which is incorporated herein by reference, describes one suitable method for producing such a polycrystalline diamond. In accordance with one manufacturing technique for PKA elements, diamond powder is applied to the surface of a preformed tungsten carbide substrate containing cobalt. Then this assembly is exposed to ultra-high temperature and pressure in the press. During this process, cobalt migrates from the substrate to the diamond layer and acts as a binder-catalyzing material, ensuring the bonding of diamond particles with each other, as well as the connection of the diamond layer with the substrate.
Готовый ПКА-элемент имеет хотя бы одну матрицу алмазных кристаллов, связанных друг с другом посредством множества межкристаллитных зон, содержащих связующий-катализирующий металл, что описано выше. Алмазные кристаллы составляют первую непрерывную алмазную матрицу, а межкристаллитные зоны образуют вторую непрерывную межкристаллитную матрицу, содержащую связующий-катализирующий материал. Кроме того, обязательно существуют небольшие зоны, содержащие связующий-катализирующий материал, в которых происходит рост алмазов. Эти островки не являются составляющей частью непрерывной межкристаллитной матрицы, состоящей из связующего-катализирующего материала.The finished PKA element has at least one matrix of diamond crystals bonded to each other via a plurality of intergranular zones containing a binder-catalyzing metal, as described above. Diamond crystals constitute the first continuous diamond matrix, and intergranular zones form a second continuous intergranular matrix containing a binder-catalyzing material. In addition, there are necessarily small zones containing a binder-catalytic material in which diamond growth occurs. These islands are not an integral part of a continuous intergranular matrix consisting of a binder-catalyzing material.
Обычно объемная плотность алмазных элементов составляет 85-95%, а связующего-катализирующего элемента - остальные 5-15%. Такой элемент может подвергаться термической деструкции, которая начинается при температурах приблизительно 400°С, в результате разного теплового расширения связующего-катализирующего межкристаллитного кобальта и алмазной матрицы. После достаточного расширения связь между алмазами может нарушаться, и могут происходить растрескивания и сколы.Typically, the bulk density of diamond elements is 85-95%, and the binder-catalyzing element is the remaining 5-15%. Such an element can undergo thermal degradation, which begins at temperatures of approximately 400 ° C, as a result of different thermal expansion of the binder-catalyzing intergranular cobalt and diamond matrix. After sufficient expansion, the bond between the diamonds may be broken, and cracking and chips may occur.
Кроме того, наличие связующего-катализирующего материала в межкристаллитной зоне поликристаллического алмаза рядом с алмазными кристаллами алмазной матрицы приводит к другому виду термической деструкции. Такое наличие связующего-катализирующего материала вызывает графитизацию алмаза по мере роста температуры, что обычно приводит к ограничению рабочей температуры в пределах приблизително 750°С.In addition, the presence of a binder-catalyzing material in the intercrystalline zone of polycrystalline diamond near diamond crystals of the diamond matrix leads to a different type of thermal degradation. This presence of a binder-catalytic material causes graphitization of the diamond as the temperature rises, which usually leads to a limitation of the operating temperature within approximately 750 ° C.
Хотя в качестве связующего-катализирующего материала чаще всего используется кобальт, тем не менее для этой цели может применяться любой элемент VIII группы, включая кобальт, никель, железо и сплавы из них.Although cobalt is most often used as a binder-catalyzing material, nevertheless, any element of group VIII can be used for this purpose, including cobalt, nickel, iron, and alloys thereof.
В соответствии с патентом США №4224380, который приводится в данном случае в качестве ссылки, с целью снижения термической деструкции режущих и/или износостойких элементов были изготовлены так называемые "термически стабильные" компоненты, которые представляли из себя спрессованные в таблетки ПКА-элементы из поликристаллического алмаза. В одном типе термически стабильного ПКА-элемента после его образования из непрерывной межкристаллитной матрицы обычного поликристаллического алмаза выщелачивается кобальт или другой связующий-катализирующий материал. Помимо того, что это может повысить термостойкость алмаза примерно до 1200°С, процесс выщелачивания также удаляет подложку из спеченного карбида. Кроме того, так как нет цельной подложки или другой поверхности, с которой можно образовывать соединение, существуют большие трудности с монтажом такого материала с целью использования его в работе.In accordance with US patent No. 4224380, which is given in this case by reference, in order to reduce the thermal degradation of cutting and / or wear-resistant elements, so-called "thermally stable" components were made, which were PCA elements pressed into tablets from polycrystalline diamond. In one type of thermally stable PCA element, after cobalt or other binder-catalyzing material is leached from a continuous intercrystalline matrix of a conventional polycrystalline diamond. In addition to increasing the heat resistance of diamond to about 1200 ° C, the leaching process also removes the substrate from sintered carbide. In addition, since there is no solid substrate or other surface with which it is possible to form a joint, there are great difficulties with the installation of such a material in order to use it in work.
Способы изготовления такого "термически стабильного" ПКА-элемента обычно предусматривают изготовление алмазов относительно небольшой плотности, составляющей порядка 80% или менее. Такая низкая плотность алмаза обеспечивает полное выщелачивание, но получаемый готовый элемент обычно обладает относительно низкой ударной вязкостью.Methods of manufacturing such a “thermally stable" PKA element typically involve the manufacture of diamonds of relatively low density, of the order of 80% or less. Such a low density of diamond provides complete leaching, but the resulting finished element usually has a relatively low impact strength.
В другом виде термически стабильного поликристаллического алмаза в качестве катализирующего материала используется кремний. Процесс изготовления поликристаллического алмаза с кремнием в качестве катализирующего материала похож на процесс, описанный выше, за тем лишь исключением, что при температурах и давлениях спекания большая часть кремния вступает в реакцию с образованием карбида кремния, который не является эффективным катализирующим материалом. При этом термостойкость такого элемента несколько выше, но термическая деструкция все равно происходит, так как присутствуют остатки кремния, которые обычно равномерно распределены в межкристаллитной матрице. И снова данный тип ПКА-элемента вызывает проблемы монтажа, так как нет поверхности, с которой можно образовывать соединение.In another form of thermally stable polycrystalline diamond, silicon is used as a catalytic material. The process of making polycrystalline diamond with silicon as a catalytic material is similar to the process described above, with the exception that at sintering temperatures and pressures, most silicon reacts to form silicon carbide, which is not an effective catalytic material. Moreover, the thermal stability of such an element is somewhat higher, but thermal degradation still occurs, since there are silicon residues, which are usually evenly distributed in the intergranular matrix. Again, this type of PCA element causes mounting problems, since there is no surface with which it is possible to form a connection.
Совсем недавно появился еще один тип ПКА, в котором при спекании алмазного порошка в качестве связующего-катализирующего материала используются карбонаты, например порошкообразные карбонаты Mg, Ca, Sr и Ва. ПКА этого типа обычно обладают более высокой износостойкостью и твердостью, чем предыдущие типы ПКА-элементов. Однако массовое производство этого материала затруднено из-за того, что для его спекания требуется более высокое давление, чем то, которое применялось при спекании обычного и термически стойкого поликристаллического алмаза. Одним из результатов этого способа является то, что тело поликристаллического алмаза, полученного таким способом, меньше элементов обычных поликристаллических алмазов. И снова из-за остатков связующего-катализирующего материала в межкристаллитной матрице может происходить термическая деструкция. И снова, так как нет цельной подложки или другой поверхности, с которой можно образовывать соединение, существуют большие трудности с монтажом такого материала на рабочей поверхности.More recently, another type of PKA has appeared, in which, when sintering diamond powder, carbonates, for example, powdered carbonates of Mg, Ca, Sr, and Ba, are used as a binder-catalyzing material. PKAs of this type usually have higher wear resistance and hardness than previous types of PKA-elements. However, mass production of this material is difficult due to the fact that sintering requires a higher pressure than that used for sintering conventional and thermally stable polycrystalline diamond. One of the results of this method is that the body of the polycrystalline diamond obtained in this way is smaller than the elements of ordinary polycrystalline diamonds. Again, thermal degradation may occur in the intergranular matrix due to residues of the binder-catalyzing material. And again, since there is no solid substrate or other surface with which it is possible to form a joint, there are great difficulties with the installation of such material on the working surface.
По причине низкой ударной вязкости попытки соединения термически стабильных ПКА с системами монтажа с целью использования их повышенной температурной стабильности были не так успешны, как ожидалось. Например, в патентах США №№4726718, 5199832, 5025684, 5238074, 6009963, приведенных в данном случае в качестве ссылок, описаны различные способы монтажа множества элементов ПКА. Хотя многие из этих проектов получили коммерческое распространение, тем не менее они не смогли совместить высокую износостойкость и/или сопротивление истиранию с соответствующей ударной вязкостью ПКА, не обладающих термической стабильностью.Due to the low toughness, attempts to connect thermally stable PKAs with mounting systems in order to use their increased temperature stability were not as successful as expected. For example, in US patent No. 4726718, 5199832, 5025684, 5238074, 6009963, given in this case as a reference, describes various methods of mounting many elements of the PKA. Although many of these projects were commercially available, they were not able to combine the high wear and / or abrasion resistance with the corresponding impact strength of PCA that did not have thermal stability.
В патентах США №№497632, 5213248, 5337844, 5379853, 5496638, 5523121, 5624068, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок, описаны другие типы алмазных или алмазоподобных покрытий поверхностей. Такие же покрытия описаны также и в публикации патента Великобритании №2268768, публикации РСТ №96/34131, публикациях ЕРС №№500253, 787820, 860515 для инструментальных поверхностей, работающих под высокой нагрузкой. В этих публикациях алмазные и/или алмазоподобные покрытия наносятся на поверхности для обеспечения износостойкости и/или эрозионной стойкости.In US patent No. 497632, 5213248, 5337844, 5379853, 5496638, 5523121, 5624068, which are given in this case by reference, other types of diamond or diamond-like surface coatings are described. The same coatings are also described in British Patent Publication No. 2268768, PCT Publication No. 96/34131, EPC Publications No. 500253, 787820, 860515 for tool surfaces operating under high load. In these publications, diamond and / or diamond-like coatings are applied to surfaces to provide wear and / or erosion resistance.
Во многих этих публикациях описаны способы нанесения алмазного или алмазоподобного покрытия с помощью химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы. Способы химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы хорошо известны и описаны, например, в патентах США №№5439492, 4707384, 4645977, 4504519, 4486286, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок.Many of these publications describe methods for applying a diamond or diamond-like coating by chemical vapor deposition or vapor condensation. Chemical vapor deposition or vapor condensation methods are well known and described, for example, in US Pat. Nos. 5,439,492, 4,707,384, 4,645,977, 4,504,519, 4,486,286, which are hereby incorporated by reference.
Технологии химического осаждения из паровой фазы и/или конденсации из паровой фазы могут применяться для нанесения алмазных или алмазоподобных покрытий на поверхности, например для получения на поверхности наборов плотно упакованных, эпитаксиально ориентированных алмазных кристаллов или других сверхтвердых кристаллов. Хотя эти алмазы из-за их плотной упаковки обладают очень большой плотностью, между отдельными кристаллами алмазов нет сильной связи, что делает их непрочными и подверженными растрескиванию при больших сдвигающих нагрузках. В результате, несмотря на очень большие плотности алмазов, они обладают небольшой механической прочностью, очень малой ударной вязкостью и малым сопротивлением износу при работе в условиях высоких нагрузок в качестве режущих элементов, подшипников, элементов трения и обжимок.Chemical vapor deposition and / or vapor condensation technologies can be used to deposit diamond or diamond-like coatings on a surface, for example, to produce sets of tightly packed, epitaxially oriented diamond crystals or other superhard crystals on the surface. Although these diamonds are very dense due to their tight packing, there is no strong bond between the individual diamond crystals, which makes them fragile and prone to cracking under high shear loads. As a result, despite the very high density of diamonds, they have low mechanical strength, very low impact strength and low wear resistance when working under high loads as cutting elements, bearings, friction elements and crimps.
С целью повышения прочности и износостойкости этих алмазных или алмазоподобных покрытий применялись подложки из карбида вольфрама с последующей обработкой их под высоким давлением и при высоких температурах, что описано в патентах США №№5264283, 5496638, 5624068, которые приводятся в данном случае в качестве ссылок. Хотя этот тип обработки может повысить износостойкость алмазного слоя, резкий переход от высокоплотного алмазного покрытия к подложке делает алмазный слой на границе раздела чувствительным к образованию трещин при очень малых остаточных деформациях. Это приводит к снижению эксплуатационной прочности и ударной вязкости.In order to increase the strength and wear resistance of these diamond or diamond-like coatings, tungsten carbide substrates were used, followed by processing them under high pressure and at high temperatures, as described in US Patent Nos. 5,264,283, 5,496,638, 5,624,068, which are incorporated herein by reference. Although this type of processing can increase the wear resistance of the diamond layer, the abrupt transition from a high-density diamond coating to the substrate makes the diamond layer at the interface susceptible to cracking at very low residual strains. This leads to a decrease in operational strength and toughness.
Если в качестве пары трения используются ПКА-элементы, изготовленные из кобальта или другого связующего-катализирующего металла VIII группы, то, как оказалось, при использовании коэффициент трения увеличивается. Как описано в европейском патенте №617207, было обнаружено, что удаление с поверхности ПКА-элемента, составляющего часть подшипника (с помощью протирки соляной кислотой), пленки трения, обогащенной кобальтом, толщина которой в процессе эксплуатации постепенно увеличивается, снижает остроту этой проблемы. Очевидно, что при эксплуатации кобальт мигрирует с поверхности ПКА в зону нагружения подшипника, увеличивая тем самым трение между ПКА-элементами, применяющимися в качестве пары трения. Очевидно также, что источником этого кобальта может быть оставшийся побочный продукт чистовой обработки элементов пар трения, так как протирка поверхности кислотой не может эффективно удалять кобальт на большой глубине.If PKA elements made of cobalt or another binder-catalyzing metal of group VIII are used as a friction pair, then, as it turned out, the friction coefficient increases when used. As described in European Patent No. 617207, it was found that removing from the surface of a PCA element constituting a part of the bearing (by rubbing with hydrochloric acid), a friction film enriched in cobalt, the thickness of which gradually increases during operation, reduces the severity of this problem. It is obvious that during operation, cobalt migrates from the surface of the PCA to the bearing loading zone, thereby increasing friction between the PCA elements used as a friction pair. It is also obvious that the source of this cobalt may be the remaining by-product of the finishing of elements of friction pairs, since rubbing the surface with acid cannot effectively remove cobalt at great depths.
Так как кобальт удаляется только с поверхности ПКА, то температуры, при которых происходит термическая деструкция этих пар трения, существенно не меняются. Поэтому вредное влияние связующего-катализирующего материала не прекращается и присутствие катализирующего материала продолжает способствовать термической деструкции алмазного слоя.Since cobalt is removed only from the surface of the PCA, the temperatures at which the thermal destruction of these friction pairs occur do not change significantly. Therefore, the harmful effect of the binder-catalyzing material does not stop and the presence of the catalyzing material continues to contribute to the thermal destruction of the diamond layer.
Краткое изложение сущности изобретенияSummary of the invention
В настоящем изобретении предлагается сверхтвердый поликристаллический алмазный или алмазоподобный элемент со значительно более высоким сопротивлением термической деструкции без потери ударной вязкости. Называемые в настоящем описании ПКА-элементами, эти элементы изготавливаются с использованием связующего-катализирующего материала при высокой температуре и под высоким давлением. ПКА-элемент состоит из множества частично связанных между собой алмазов или алмазоподобных элементов, образующих хотя бы одну непрерывную алмазную матрицу, и расположенных между алмазными кристаллами межкристаллитных зон, образующих хотя бы одну непрерывную межкристаллитную матрицу, в состав которой входит катализирующий материал. У этого элемента есть рабочая поверхность и тело, при этом та часть межкристаллитной матрицы этого тела, которая располагается в непосредственной близости от рабочей поверхности, в значительной степени свободна от катализирующего материала, в то время как в остальной части межкристаллитной матрицы катализирующий материал присутствует.The present invention provides a superhard polycrystalline diamond or diamond-like element with a significantly higher resistance to thermal degradation without loss of impact strength. Referred to as PKA elements in the present description, these elements are manufactured using a binder-catalyzing material at high temperature and high pressure. A PKA element consists of many partially interconnected diamonds or diamond-like elements forming at least one continuous diamond matrix, and intercrystalline zones located between diamond crystals forming at least one continuous intercrystalline matrix, which includes a catalytic material. This element has a working surface and a body, while that part of the intergranular matrix of this body, which is located in the immediate vicinity of the working surface, is largely free of catalytic material, while in the rest of the intergranular matrix, the catalytic material is present.
Часть рабочей поверхности тела ПКА-элемента может в дальнейшем обрабатываться таким образом, что межкристаллитные зоны, расположенные между кристаллами, будут в значительной степени свободны от катализирующего материала. Рабочая поверхность, которая в значительной степени свободна от катализирующего материала, не подвержена термической деградации, происходящей в других зонах рабочей поверхности, что обеспечивает повышенное сопротивление термической деградации. В качестве обработанной рабочей поверхности режущих элементов может использоваться часть наружной пластины тела, часть периферийной поверхности тела или части всех этих поверхностей.Part of the working surface of the body of the PCA element can be further processed in such a way that the intergranular zones located between the crystals will be substantially free of catalytic material. The work surface, which is largely free of catalytic material, is not subject to thermal degradation that occurs in other areas of the work surface, which provides increased resistance to thermal degradation. A part of the outer plate of the body, a part of the peripheral surface of the body, or a part of all of these surfaces can be used as the machined working surface of the cutting elements.
В соответствии с другим вариантом осуществления настоящего изобретения в качестве катализирующего материала используется кобальт или другой элемент группы железа, а в качестве способа обеднения катализирующим материалом используется его выщелачивание из межкристаллитных зон в области, граничащей с поверхностью ПКА-элемента, с использованием технологии травления кислотой. Считается, что с целью удаления катализирующего материала из приповерхностной зоны может также применяться электрический разряд, или другой электрический или гальванический процесс, или выпаривание.In accordance with another embodiment of the present invention, cobalt or another element of the iron group is used as the catalytic material, and leaching from the intergranular zones in the region adjacent to the surface of the PCA element using acid etching technology is used as the depletion method of the catalytic material. It is believed that, in order to remove the catalyst material from the near-surface zone, an electric discharge or other electrical or galvanic process or evaporation can also be used.
В соответствии с другим способом осуществления настоящего изобретения катализирующий материал в значительной степени удаляется из зоны рабочей поверхности ПКА-элемента путем образования химических связей с другими элементами так, чтобы он не мог больше использоваться в качестве катализирующего материала. В соответствии с этим способом материал может оставаться в межкристаллитных зонах, расположенных между кристаллами алмазов, но при этом данный материал больше не является катализирующим материалом, что соответствует его эффективному удалению или снижению его содержания.According to another embodiment of the present invention, the catalytic material is substantially removed from the area of the working surface of the PCA element by forming chemical bonds with other elements so that it can no longer be used as the catalytic material. In accordance with this method, the material may remain in the intergranular zones located between the diamond crystals, but this material is no longer a catalytic material, which corresponds to its effective removal or reduction of its content.
В соответствии еще с одним вариантом настоящего изобретения катализирующий материал удаляется путем его преобразования в такой материал, который больше не является катализирующим материалом. Это может выполняться путем изменения кристаллической структуры, с помощью механической обработки, термообработки или другой обработкой. Такой способ может применяться к неметаллическим или химически неактивным катализирующим материалам. Кроме того, этот материал может оставаться в межкристаллитных зонах, расположенных между кристаллами сверхтвердого материала, но при этом данный материал больше не является катализирующим материалом, что соответствует его эффективному удалению или снижению его содержания.In accordance with another embodiment of the present invention, the catalyst material is removed by converting it into a material that is no longer a catalyst material. This can be accomplished by changing the crystal structure, by mechanical treatment, heat treatment or other processing. Such a method can be applied to non-metallic or chemically inactive catalyst materials. In addition, this material may remain in the intergranular zones located between the crystals of the superhard material, but this material is no longer a catalytic material, which corresponds to its effective removal or reduction of its content.
Описан элемент, включающий множество частично связанных между собой алмазных кристаллов, катализирующий материал, межкристаллитную матрицу и тело с рабочей поверхностью. Межкристаллитная матрица тела в непосредственной близости от рабочей поверхности в значительной степени свободна от катализирующего материала, в то время как в остальной части межкристаллитной матрицы катализирующий материал присутствует.An element is described, including many partially interconnected diamond crystals, a catalytic material, an intergranular matrix, and a body with a working surface. The intergranular matrix of the body in the immediate vicinity of the working surface is substantially free of catalytic material, while in the rest of the intergranular matrix, the catalyst material is present.
Описан также ПКА-элемент, включающий катализирующий материал, межкристаллитную матрицу и тело с рабочей поверхностью. Межкристаллитная матрица тела в непосредственной близости от рабочей поверхности в значительной степени свободна от катализирующего материала, в то время как в остальной части межкристаллитной матрицы катализирующий материал присутствует.A PKA element is also described, including a catalytic material, an intergranular matrix, and a body with a working surface. The intergranular matrix of the body in the immediate vicinity of the working surface is substantially free of catalytic material, while in the rest of the intergranular matrix, the catalyst material is present.
Кроме того, описан также ПКА-элемент, включающий множество сверхтвердых кристаллов, катализирующий материал и тело с рабочей поверхностью. Поверхность большинства кристаллов тела в пределах 0,1 мм вглубь рабочей поверхности данного элемента в значительной степени свободна от катализирующего материала, а остальные кристаллы контактируют с катализирующим материалом.In addition, a PKA element is also described, including a plurality of superhard crystals, a catalytic material and a body with a working surface. The surface of most crystals of the body within 0.1 mm deep into the working surface of this element is largely free of catalytic material, and the remaining crystals are in contact with the catalytic material.
Кроме того, описан ПКА-элемент, включающий тело с рабочей поверхностью. Первый объем тела, удаленный от рабочей поверхности, включает катализирующий материал, а второй объем тела в зоне, примыкающей к рабочей поверхности, в значительной степени свободен от катализирующего материала.In addition, a PCA element is described comprising a body with a working surface. The first volume of the body, remote from the working surface, includes a catalytic material, and the second volume of the body in the area adjacent to the working surface is substantially free of catalytic material.
Кроме того, описан элемент, включающий множество частично связанных между собой алмазных кристаллов, катализирующий материал и тело с рабочей поверхностью. Для объема тела, примыкающего к рабочей поверхности, характерна в значительной степени более высокая плотность алмазов, чем плотность алмазов в других частях тела, и этот объем в значительной степени свободен от катализирующего материала.In addition, an element is described comprising a plurality of partially interconnected diamond crystals, a catalyst material and a body with a working surface. The volume of the body adjacent to the working surface is characterized by a significantly higher density of diamonds than the density of diamonds in other parts of the body, and this volume is largely free of catalytic material.
Кроме того, описан ПКА-элемент, включающий тело с рабочей поверхностью. Для объема тела, примыкающего к рабочей поверхности, характерна в значительной степени более высокая плотность алмазов, чем плотность алмазов в других частях тела, и этот объем в значительной степени свободен от катализирующего материала.In addition, a PCA element is described comprising a body with a working surface. The volume of the body adjacent to the working surface is characterized by a significantly higher density of diamonds than the density of diamonds in other parts of the body, and this volume is largely free of catalytic material.
Кроме того, описан спрессованный в таблетку режущий элемент. У этого элемента имеется наружная грань, состоящая из сверхтвердого поликристаллического материала, включающего множество частично связанных между собой сверхтвердых кристаллов, множество межкристаллитных зон между сверхтвердыми кристаллами и катализирующий материал. У наружной пластины имеется режущая поверхность и тело. Межкристаллитные зоны хотя бы части режущей поверхности в значительной степени свободны от катализирующего материала, в то время как в остальных межкристаллитных зонах катализирующий материал присутствует.In addition, a tablet-shaped cutting element is described. This element has an outer face, consisting of a superhard polycrystalline material, including many partially interconnected superhard crystals, many intercrystalline zones between superhard crystals and a catalytic material. The outer plate has a cutting surface and a body. Intercrystalline zones, at least parts of the cutting surface, are substantially free of catalytic material, while in the remaining intercrystalline zones, the catalytic material is present.
ПКА-элементы по настоящему изобретению могут использоваться в условиях трения, резки, волочения и в других случаях, когда требуются технические сверхтвердые алмазные поверхности. В частности, они могут использоваться в качестве режущих элементов вращающегося бурового долота с неподвижными или шарошечными резцами, в качестве обжимки, радиатора, подшипников скольжения, поверхностей трубопроводной арматуры, инденторов, инструментальных оправок и т.п. ПКА-элементы по настоящему изобретению могут использоваться для абразивной обработки деревянных изделий, черных и цветных металлов, а также для обработки очень твердых или абразивных технических материалов типа камня, асфальта и т.п.PKA elements of the present invention can be used in conditions of friction, cutting, drawing and in other cases where technical superhard diamond surfaces are required. In particular, they can be used as cutting elements of a rotating drill bit with fixed or cone cutters, as crimps, a radiator, sliding bearings, surfaces of pipe fittings, indenters, toolholders, etc. PKA elements of the present invention can be used for abrasive processing of wood products, ferrous and non-ferrous metals, as well as for the processing of very hard or abrasive technical materials such as stone, asphalt, etc.
Краткое описание чертежейBrief Description of the Drawings
На фигуре 1А изображен типичный ПКА-элемент по настоящему изобретению.Figure 1A shows a typical PKA element of the present invention.
На фигуре 1В изображен типичный ПКА-элемент по настоящему изобретению, используемый в качестве режущего элемента.Figure 1B shows a typical PKA element of the present invention, used as a cutting element.
На фигуре 2 изображен вид сбоку на лопастное долото, в котором использованы ПКА-элементы по настоящему изобретению.The figure 2 shows a side view of a blade chisel, which uses the PCA elements of the present invention.
На фигуре 3 изображен перспективный вид на шарошечное долото, в котором использованы ПКА-элементы по настоящему изобретению.Figure 3 shows a perspective view of a roller cone bit using the PKA elements of the present invention.
На фигуре 4 изображен перспективный вид на вставку с ПКА-элементами по настоящему изобретению, которая применяется при механической обработке на станках.The figure 4 shows a perspective view of the insert with the PCA elements of the present invention, which is used for machining on machines.
На фигуре 5 изображен перспективный вид полусферического ПКА-элемента для применения в шарошечных и лопастных буровых долотах.The figure 5 shows a perspective view of a hemispherical PKA element for use in roller cone and vane drill bits.
На фигуре 6 изображен микрофотоснимок поверхности ПКА-элемента предшествующего уровня техники, на котором показан связующий-катализирующий материал в межкристаллитных зонах.The figure 6 shows a microphotograph of the surface of a PCA element of the prior art, which shows a binder-catalyzing material in the intergranular zones.
На фигуре 7 изображен микрофотоснимок поверхности ПКА-элемента по настоящему изобретению, на котором показана первая часть с катализирующим материалом в межкристаллитных зонах и вторая часть без катализирующего материала в межкристаллитных зонах.Figure 7 shows a microphotograph of the surface of the PCA element of the present invention, which shows the first part with a catalytic material in the intergranular zones and the second part without a catalytic material in the intergranular zones.
На фигуре 8 изображена микроструктура ПКА-элемента предшествующего уровня техники, на которой изображены связанные между собой кристаллы алмазов с межкристаллитными зонами и кристаллографическая ориентация отдельных кристаллов.The figure 8 shows the microstructure of a PCA element of the prior art, which depicts interconnected diamond crystals with intercrystalline zones and the crystallographic orientation of individual crystals.
На фигуре 9 изображена микроструктура ПКА-элемента по настоящему изобретению в соответствии с фигурой 7, на которой показана глубина зоны, свободной от катализирующего материала, по отношению к поверхности ПКА-элемента.Figure 9 shows the microstructure of the PCA element of the present invention in accordance with Figure 7, which shows the depth of the zone free of catalytic material relative to the surface of the PCA element.
На фигуре 10 изображена кривая показателей относительного износа нескольких примеров ПКА-элементов по настоящему изобретению.Figure 10 shows a relative wear curve of several examples of PKA elements of the present invention.
На фигуре 11А изображен вид спереди на вариант ПКА-элемента по настоящему изобретению.Figure 11A is a front view of a variant of the PCA element of the present invention.
На фигуре 11В изображено сечение другого варианта ПКА-элемента по настоящему изобретению.Figure 11B is a sectional view of another embodiment of a PCA element of the present invention.
На фигуре 11С изображено сечение еще одного варианта ПКА-элемента по настоящему изобретению.11C is a cross-sectional view of yet another embodiment of a PCA element of the present invention.
На фигуре 12А изображен перспективный вид на поверхность с покрытием, полученным путем химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы, для другого варианта ПКА-элемента по настоящему изобретению.12A is a perspective view of a coated surface obtained by chemical vapor deposition or vapor condensation for another embodiment of the PCA element of the present invention.
На фигуре 12В изображен перспективный вид увеличенной кристаллической структуры варианта ПКА-элемента по настоящему изобретению в соответствии с фигурой 12А.Figure 12B is a perspective view of an enlarged crystal structure of a variant of the PCA element of the present invention in accordance with Figure 12A.
На фигуре 13 изображено сечение волоки для волочения проволоки с ПКА-элементом по настоящему изобретению.The figure 13 shows a cross-section of a die for wire drawing with the PCA element of the present invention.
На фигуре 14 изображен перспективный вид радиатора с ПКА-элементом по настоящему изобретению.Figure 14 shows a perspective view of a radiator with a PCA element of the present invention.
На фигуре 15 изображен перспективный вид подшипника с ПКА-элементом по настоящему изобретению.15 is a perspective view of a bearing with a PCA element of the present invention.
На фигурах 16А и 16В изображен вид спереди сопрягающихся частей трубопроводной арматуры с ПКА-элементом по настоящему изобретению.Figures 16A and 16B show a front view of the mating parts of the pipe fitting with the PCA element of the present invention.
На фигуре 17А изображен вид сбоку на индентор с ПКА-элементом по настоящему изобретению.17A is a side view of an indenter with a PCA element of the present invention.
На фигуре 17В изображен разрез пробойника с ПКА-элементом по настоящему изобретению.Figure 17B shows a section of a punch with a PKA element of the present invention.
На фигуре 18 изображен перспективный вид на измерительное устройство с ПКА-элементом по настоящему изобретению.Figure 18 shows a perspective view of a measuring device with a PCA element of the present invention.
Подробное описание настоящего изобретения и предпочтительных вариантов настоящего изобретенияDetailed Description of the Invention and Preferred Embodiments of the Invention
На фигуре 1А показан элемент 2 из поликристаллического алмаза или алмазоподобного (ПКА) материала по настоящему изобретению. ПКА-элемент 2 включает множество частично связанных между собой сверхтвердых алмазных или алмазоподобных кристаллов 60 (фигуры 7 и 9), катализирующий материал 64 и межкристаллитную матрицу 68, состоящую из межкристаллитных зон 62, расположенных между кристаллами 60. Элемент 2 также включает одну рабочую поверхность или две рабочие поверхности 4 и алмазные кристаллы 60 и межкристаллитные зоны 62 из объема тела 8 ПКА-элемента 2.Figure 1A shows an
Рабочей поверхностью 4 является любая часть ПКА-тела 8, которая при эксплуатации может вступать в контакт с обрабатываемым объектом. При рассмотрении рабочей поверхности 4 в данном описании понимается, что она наносится на любую часть тела 8, на которую может оказываться воздействие и/или которая может использоваться в качестве рабочей поверхности. Кроме того, любая часть любой рабочей поверхности 4 сама по себе является рабочей поверхностью.The working
При изготовлении в условиях высоких температур и высоких давлений межкристаллитные зоны 62, расположенные между кристаллами 60, по мере образования связей между кристаллами 60 заполняются катализирующим материалом 64. На следующем этапе изготовления некоторые межкристаллитные зоны 62 выборочно обедняются катализирующим материалом 64. В результате получается так, что первый объем тела 8 ПКА-элемента 2, удаленный от рабочей поверхности 4, включает катализирующий материал 64, а второй объем тела 8, расположенный в непосредственной близости от поверхности 4, в значительной степени свободен от катализирующего материала 64. Межкристаллитные зоны 62, которые в значительной степени свободны от катализирующего материала 64, обозначены номером 66.In the manufacture at high temperatures and high pressures, the
Таким образом, межкристаллитная матрица 68 тела 8, расположенная в непосредственной близости хотя бы от части рабочей поверхности 4, в значительной степени свободна от катализирующего материала 64, а остальная часть межкристаллитной матрицы 68 содержит катализирующий материал 64. ПКА-элемент 2 может образовывать соединения с подложкой 6, изготовленной из менее твердого материала, обычно из спеченного карбида вольфрама, но использование подложки 6 не является обязательным.Thus, the intergranular matrix 68 of the body 8, located in close proximity to at least part of the working
Так как тело в непосредственной близости от рабочей поверхности 4 в значительной степени свободно от катализирующего материала 64, отрицательное влияние связующего-катализирующего материала 64 в значительной степени уменьшается, что обеспечивает устранение термической деструкции рабочей поверхности 4, вызванной наличием катализирующего материала 64. В результате получается новый ПКА-элемент 2 с улучшенными термическими свойствами, приближающимися к термическим свойствам так называемых термически стабильных ПКА-элементов, при сохранении прочности, технологии изготовления и способности образовывать связи, присущие традиционным ПАК-элементам (поликристаллическим алмазным компактным элементам). Это обеспечивает более высокую износостойкость при резании, более высокую теплоотдачу при использовании ПКА в качестве радиаторов, более высокую несущую способность при использовании ПКА в качестве подшипников, уменьшает разрушение поверхности при использовании ПКА в трубопроводной арматуре и другие преимущества при использовании ПКА в других случаях, включая использование в качестве обжимок, инденторов, инструментальных оправок и элементов трения. Ниже применение новых ПКА-элементов 2 рассматривается более подробно.Since the body in the immediate vicinity of the working
Обратимся теперь к микрофотоснимку ПКА-элемента предшествующего уровня техники на фигуре 6, а также к микроструктуре ПКА-элемента предшествующего уровня техники по фигуре 8, из которых видна случайная кристаллографическая ориентация алмазных или алмазоподобных кристаллов 60, что видно из параллельных линий, представляющих плоскости спайности каждого кристалла 60. Как видно, соседние кристаллы 60 связаны друг с другом расположенными между ними межкристаллитными зонами 62. Так как плоскости спайности соседних кристаллов 60 ориентированы в различных направлениях, то нет прямой траектории, по которой может произойти разлом алмаза.We now turn to the micrograph of the PCA element of the prior art in FIG. 6, as well as the microstructure of the PCA element of the prior art in FIG. 8, from which a random crystallographic orientation of diamond or diamond-
В процессе связывания кристаллов 60 в прессе при высокой температуре и давлении межкристаллитные зоны 62, расположенные между кристаллами 60, заполняются связующим-катализирующим материалом 64. Именно катализирующий материал 64 обеспечивает связывание соседних алмазных кристаллов 60 при сравнительно низких давлениях и температурах в прессе.In the process of bonding the
ПКА-элемент предшествующего уровня техники имеет хотя бы одну непрерывную матрицу кристаллов 60, связанных друг с другом межкристаллитными зонами 62, содержащими связующий-катализирующий материал 64, обычно кобальт или другой элемент группы VIII. Кристаллы 60 составляют первую непрерывную матрицу алмазов, а межкристаллитные зоны 62 образуют вторую непрерывную матрицу межкристаллитных зон 62, известную как межкристаллитная матрица 68, содержащую связующий-катализирующий материал. Кроме того, необходимо, чтобы сравнительно небольшие зоны для обеспечения роста алмазов включали связующий-катализирующий материал. Эти островки не являются частью непрерывной межкристаллитной матрицы 68 связующего-катализирующего материала 64.The PCA element of the prior art has at least one continuous matrix of
На фигурах 7 и 9 показано сечение ПКА-элемента 2 по настоящему изобретению. ПКА-элемент 2 может быть образован таким же образом, что и ПКА-элементы предшествующего уровня техники. В соответствии с предпочтительным вариантом изобретения в процессе изготовления сразу после операции предварительной очистки или в любое другое время после этой операции рабочая поверхность 4, 70, 72 ПКА-элемента 2 обрабатывается таким образом, что из тела удаляется часть связующего-катализирующего материала. В результате этого межкристаллитные зоны 62, расположенные между алмазными кристаллами 60 в непосредственной близости от рабочей поверхности, становятся в значительной степени свободными от катализирующего материала 64, обозначенного позицией 66. Часть рабочей поверхности 4, 70, 72, которая свободна от катализирующего материала 64, не подвержена термической деструкции, встречающейся в других зонах ПКА, что обеспечивает улучшенные термические характеристики.In figures 7 and 9 shows a cross section of the
Существует много способов удаления катализирующего материала 64 из межкристаллитных зон 62 или уменьшения его содержания в этих зонах. В соответствии с одним из способов катализирующим материалом 64 является кобальт или другой материал группы железа, а способом удаления катализирующего материала 64 является его выщелачивание из межкристаллитных зон 62 в зоне, прилегающей к рабочей поверхности 4, 70, 72 ПКА-элемента 2, с помощью технологии травления кислотой на глубину больше приблизительно 0,2 мм. Для удаления катализирующего материала 64 из приповерхностной зоны может применяться электрический разряд, или другая электрическая или гальваническая технология, или выпаривание.There are many ways to remove the
В соответствии с другим способом снижения содержания катализирующего материала 64 в межкристаллитных зонах 62 снижение содержания катализирующего материала 64 осуществляется путем образования химического соединения, например сплавлением с другим материалом, чтобы он больше не являлся катализирующим материалом. В соответствии с этим способом материал может оставаться в межкристаллитных зонах между алмазными кристаллами 60, но этот материал больше не является катализирующим материалом 64, что соответствует его эффективному удалению.According to another method for reducing the content of the
В соответствии еще с одним способом снижения содержания катализирующего материала 64 в межкристаллитных зонах 62 катализирующий материал 64 удаляется путем его преобразования в такой материал, который больше не является катализирующим материалом. Этого можно добиться изменением кристаллической структуры, фазовым превращением, механической обработкой, термической обработкой или с помощью других способов обработки. Такой способ можно применять к неметаллическим или химически неактивным катализирующим материалам. Кроме того, материал может оставаться в межкристаллитных зонах 62 между алмазными кристаллами, но этот материал больше не является катализирующим материалом 64, что соответствует его эффективному удалению.According to another method for reducing the content of the
Как только катализирующий материал 64 в непосредственной близости от рабочей поверхности 4, 70, 72 теряет свою эффективность, ПКА-элемент 2 по настоящему изобретению теряет свою чувствительность к термической деструкции, которая, как известно, происходит в ПКА-элементах предшествующего уровня техники. Как описано выше, существуют два режима термической деструкции, которые, как известно, вызываются катализирующим материалом 64. Первый режим термической деструкции начинается при температурах приблизительно 400°С и происходит в результате разницы теплового расширения связующего-катализирующего материала 64 в межкристаллитных зонах 62 и кристаллов 60. После достаточного расширения связи между алмазами могут нарушаться и могут происходить растрескивания и сколы.As soon as the
Второй режим термической деструкции начинается при температурах приблизительно 750°С. Этот режим вызван катализирующей способностью связующего-катализирующего материала 64, вступающего в реакцию с кристаллом 60, и приводит к графитизации кристалла 60 по мере приближения температуры к 750°С. По мере графитизации кристаллов 60 они резко увеличиваются в объеме, что приводит к растрескиванию и потере связей с телом 4. Даже наличие катализирующего материала 64 толщиной несколько микрон на поверхностях алмазных кристаллов 60 может вызвать этот режим термической деструкции.The second regime of thermal degradation begins at temperatures of approximately 750 ° C. This mode is caused by the catalytic ability of the binder-
Специалисты должны понимать, что в оптимальном варианте катализирующий материал 64 должен удаляться из межкристаллитной зоны 62, расположенной между алмазными кристаллами 60, а также с поверхностей алмазных кристаллов 60. Если катализирующий материал 60 удаляется как с поверхностей алмазных кристаллов 60, так и из межкристаллитных зон, то термическая деструкция алмазных кристаллов 60 в этой области начинается только по достижении 1200°С.Those skilled in the art will appreciate that, optimally, the
Однако этот режим двойной деструкции приводит к получению некоторых неожиданных преимуществ. Например, во многих случаях необходимо рассчитывать скорость износа рабочей поверхности. В соответствии с настоящим изобретением это можно выполнить путем изменения технологии обработки таким образом, что в областях, в которых необходима максимальная износостойкость, содержание катализирующего материала снижается как в межкристаллитных зонах 62, так и на поверхностях алмазных кристаллов 60. А в тех областях, где требуется менее высокая износостойкость, например в случае с самозатачивающимся инструментом, эти области обрабатываются так, что содержание катализирующего материала 64 снижается в первую очередь в межкристаллитных зонах 62, но при этом некоторые или все алмазные кристаллы 60 остаются в контакте с катализирующим материалом.However, this regime of double destruction leads to some unexpected advantages. For example, in many cases it is necessary to calculate the wear rate of the work surface. In accordance with the present invention, this can be done by changing the processing technology so that in areas where maximum wear resistance is required, the content of the catalyst material decreases both in the
Очевидно также, что более трудно удалять катализирующий материал 64 с поверхностей алмазных кристаллов 60, чем из межкристаллитных зон 62. По этой причине в зависимости от способа снижения содержания катализирующего материала с целью снижения термической деструкции глубина, на которую происходит обеднение данной области катализирующим материалом 64, считая от рабочей поверхности 4, может меняться в зависимости от способа снижения содержания катализирующего материала 64.It is also obvious that it is more difficult to remove the
В некоторых случаях повышение теплового порога приблизительно до 400°С, но менее 750°С, является эквивалентным по своему воздействию, и поэтому можно применять менее интенсивные технологии снижения содержания катализирующего материала 64. Вследствие этого следует понимать, что для обеспечения требуемого уровня обеднения данной области катализирующим материалом 64 можно сочетать самые разные способы снижения содержания катализирующего материала 64.In some cases, raising the heat threshold to about 400 ° C, but less than 750 ° C, is equivalent in its effect, and therefore less intensive technologies for reducing the content of
При использовании в данном описании выражения "в значительной степени свободный от" применительно к катализирующему материалу 64 в межкристаллитных зонах 62, межкристаллитной матрице 68 или объеме тела 8 следует понимать, что многие, если не все, поверхности соседних алмазных кристаллов 60 могут быть покрыты катализирующим материалом 64. Более того, при использовании выражения "в значительной степени свободный от" применительно к катализирующему материалу 64 на поверхностях алмазных кристаллов 60 катализирующий материал 64 может еще оставаться в соседних межкристаллитных зонах 62.When used in this description, the expression "substantially free from" with respect to the
При удалении или снижении содержания катализирующего материала 64 больше не работают два основных механизма термической деструкции. Однако было обнаружено, что катализирующий материал 64 следует удалять на достаточную глубину, с отводом тепла, вырабатываемого в результате теплообразования, от связанных кристаллов 60 из зон присутствия катализирующего материала 64 до уровня, обеспечивающего температуру ниже температуры деструкции кристаллов 60.When removing or reducing the content of the
В одной серии лабораторных испытаний ПКА-элементу 2, выполненному в виде режущего элемента 10, сообщалось тепло. Так как эти испытания планировались как стандартные испытания на износ этих режущих элементов, то было обеспечено сравнение режущих элементов 10 с разной глубиной удаления катализирующего материала 64. В этих испытаниях обращалось внимание на удаление катализирующего материала 64 как из межкристаллитных зон 62, так и с поверхностей алмазных кристаллов 60. Испытание планировалось таким образом, что в течение определенного времени периодически на режущую кромку режущего ПКА-элемента 10 подавалось тепло.In one series of laboratory tests, the
После завершения испытаний рассчитывался показатель износа. Чем выше показатель износа, тем лучше износостойкость. По характеру испытаний предполагалось, что увеличение показателя износа означает увеличение сопротивления термической деструкции рабочей поверхности 70, 72 режущего элемента 10.After completion of the tests, the wear indicator was calculated. The higher the wear rate, the better the wear resistance. According to the nature of the tests, it was assumed that an increase in the wear indicator means an increase in the resistance to thermal destruction of the working
Как видно по кривой А (фигура 10), если глубина удаления катализирующего материала 64 достигает 0,1 мм, то наблюдается резкое увеличение показателя износа режущих элементов 10. Поэтому при обычном подводе тепла к режущим элементам 10 глубина 0,1 мм является критической глубиной удаления катализирующего материала с рабочей поверхности 4, 70, 72, если катализирующий материал 64 удаляется как из межкристаллитных зон 62, так и с поверхностей алмазных кристаллов 60.As can be seen from curve A (figure 10), if the depth of removal of the
Кривая В (фигура 10) демонстрирует зависимость износа от глубины удаления в других испытаниях режущих элементов 10, изготовленных с использованием более экономичной технологии удаления катализирующего материала 64. Технология удаления катализирующего материала 64, примененная при изготовлении этих режущих элементов, не была столь эффективной при удалении катализирующего материала 64 с поверхностей алмазных кристаллов 60, как технология, обеспечивающая результаты, продемонстрированные на кривой А. Поэтому результат, подобный результату, показанному на кривой А, может быть достигнут только тогда, когда катализирующий материал 64 будет удален из межкристаллитной зоны 62 на глубину приблизительно 0,2 мм.Curve B (FIG. 10) shows the dependence of wear on the depth of removal in other tests of the cutting
Очевидно, что к ПКА-элементам 2 может быть применена зависимость С (фигура 10), по которой можно определить термическую деструкцию в зависимости от интенсивности изнашивания. Например, может потребоваться, чтобы кромки имеющих кривизну режущих элементов 10, удаленные от центра контакта, изнашивались быстрее, чем центральная точка. Это обеспечит сохранение кривизны режущего элемента.Obviously, the dependence C (FIG. 10) can be applied to the
Увеличение сопротивления к термической деструкции увеличивает износостойкость, так как алмаз является исключительно хорошим проводником тепла. Если трение рабочей поверхности 4, 70, 72 приводит к внезапному, чрезмерному теплообразованию, то связанные алмазные кристаллы проводят тепло во всех направлениях. Это приводит к чрезмерно большому градиенту температуры, который может составлять 1000°С на 1 мм или выше. При этом температура рабочей поверхности 4, 70, 72 может достигать 950°С, которая не вызовет существенной термической деструкции, если межкристаллитные зоны 62 и поверхности алмазных кристаллов 60 в непосредственной близости от рабочей поверхности будут в значительной степени свободны от катализирующего материала 64 на глубину приблизительно 0,2 мм от источника теплообразования.An increase in resistance to thermal degradation increases wear resistance, since diamond is an exceptionally good heat conductor. If the friction of the working
Очевидно, что температурный градиент меняется в зависимости от размера кристалла 60 и силы связи между кристаллами. Однако при эксплуатационных испытаниях режущих элементов 10 для породоразрушающих головок удаление всего катализирующего материала 64 из межкристаллитных зон 62 на расстояние D, равное приблизительно 0,2-0,3 мм, от рабочей поверхности 4, 70, 72 приводило к резкому увеличению износостойкости, при этом помимо 40% увеличения износостойкости наблюдалось и 40% увеличение скорости проходки. Увеличение износостойкости показывает, что истирание алмазных кристаллов 60 в результате термической деструкции, вызываемой катализирующим материалом 64, было в значительной степени снижено. Очевидно, что увеличение скорости проходки происходит в результате того, что резец дольше остается острым из-за повышенной износостойкости.Obviously, the temperature gradient varies depending on the size of the
ПКА-элементы могут быть и другой конструкции, которая позволяет получать преимущества от снижения содержания или удаления катализирующего материала 64, как описано выше. Как показано на фигурах 11А, 11В и 11С, другим вариантом настоящего изобретения является составной ПКА-элемент 102. У ПКА-элемента 102 есть тело 108, изготовленное из связующего-катализирующего материала из группы VIII, и заглубленный в него второй ПКА-элемент 110. Заглубленный ПКА-элемент 110 может быть выполнен заподлицо с рабочей поверхностью 104 ПКА-элемента 120, как показано на фигуре 11А, или он может быть полностью углублен в ПКА-элемент 120, как показано на фигуре 11В. Этот заглубленный ПКА-элемент 110 изготавливается по технологии, в которой в качестве связующих-катализирующих материалов используется порошок карбонатов Mg, Ca, Sr и Ва, который формуется в составной ПКА-элемент, как описано в одновременно рассматриваемой заявке США №09/390074, которая приводится в данном случае в качестве ссылки.PKA elements can be of another design, which allows you to get the benefits of reducing the content or removal of the
В этом варианте, ввиду того, что заглубляемый, спрессованный в таблетку ПКА-элемент 110 формуется под высоким давлением, плотность алмаза может быть выше, чем плотность ПКА-элемента 120. Так как в состав заглубляемого ПКА-элемента 110 входит катализирующий материал с более высокой температурой активации, то может быть более правильно уменьшать содержание катализирующего материала только на рабочей поверхности ПКА-элемента 120. Кроме того, заглубляемый ПКА-элемент 110 может помещаться внутрь ПКА-элемента 120, чтобы совместить преимущества более высокой ударной вязкости заглубляемого ПКА-элемента 110 с повышенной износостойкостью ПКА-элемента 120.In this embodiment, due to the fact that the
Как показано на фигурах 9, 11А, 11В и 11С элемент 102 включает множество частично связанных между собой алмазных кристаллов 60, катализирующий материал 64 и тело 108 с рабочей поверхностью 104. Плотность алмазов в непосредственной близости от рабочей поверхности 104 объема 112 тела значительно выше плотности алмазов где-нибудь в другом месте объема 114 тела 108, а объем 112 в значительной степени свободен от катализирующего материала 64.As shown in figures 9, 11A, 11B and 11C, the
Несколько заглубленных ПКА-элементов 110 могут располагаться в составном элементе 100, как показано на фигуре 11 С, таким образом, что обеспечиваются как наивысшая ударная вязкость, так и повышенная износостойкость.Several buried
Может потребоваться снижение содержания катализирующего материала в заглубленном ПКА-элементе 110, а также катализирующего материала в ПКА-элементе 120. Такое сочетание обеспечивает максимально возможную ударную вязкость в сочетании с максимально возможной износостойкостью алмазных элементов массового производства.It may be necessary to reduce the content of catalytic material in the buried
На фигурах 12А и 12В представлен другой вариант ПКА-элемента 202 по настоящему изобретению. В соответствии с этим вариантом ПКА-элемент 202 сначала изготавливается в соответствии с предшествующим уровнем техники. После подготовки поверхности применяется технология химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы для осаждения на будущую рабочую поверхность 204 части 210 ПКА-элемента 202 плотно упакованного набора эпитаксиально ориентированных алмазных кристаллов 260. Затем сборка подвергается воздействию высокого давления и температуры, посредством чего осажденные алмазные кристаллы 260 образуют межкристаллитные связи друг с другом и с алмазными кристаллами исходного ПКА. Связывание алмазов между собой возможно благодаря наличию катализирующего материала 64, внедряемого с поверхности исходного ПКА-элемента 202.Figures 12A and 12B show another embodiment of the
После очистки часть рабочей поверхности 204 подвергается обработке с целью снижения содержания катализирующего материала 64 из слоя, полученного методом химического осаждения из паровой фазы или конденсации из паровой фазы. Готовый продукт представляет из себя ПКА-элемент, одна часть которого является рабочей поверхностью 204, в объеме 214 которой плотность алмазов значительно больше, чем плотность алмазов на других поверхностях 280 ПКА-элемента 202. Части других поверхностей 280 ПКА-элемента 202 также могут быть обеднены связующим-катализирующим материалом.After cleaning, part of the working
В общем, элементы 102, 202, изображенные на фигурах 11А, 11В, 11С, 12А и 12В, могут характеризоваться как ПКА-элемент 102, 202 с телом 108, 208 с рабочей поверхностью 104, 204. Плотность алмазов в непосредственной близости от рабочей поверхности 104, 204 в значительной степени выше плотности алмазов в других частях тела 108, 208, которые в значительной степени свободны от катализирующего материала 64.In general, the
Как показано на фигурах 1В, 4 и 5, ПКА-элемент 2 по настоящему изобретению может применяться в качестве режущих элементов 10, 50, 52. Рабочая поверхность режущего ПКА-элемента 10, 50, 52 может выполняться в виде верхней рабочей поверхности 70 и/или периферийной рабочей поверхности 72. Режущий ПКА-элемент 10 по фигуре 1В может обычно применяться в головках лопастного долота 12 или для защиты калибрующей поверхности бурового долота в других типах буровых инструментов. Режущий ПКА-элемент 50, изображенный на фигуре 5, может иметь форму полусферы 39. Для этого типа режущего ПКА-элемента характерно удлиненное основание 51, которое устанавливается в гнездо шарошечного долота 38 или в корпус обоих типов вращающихся долот 12, 38, что будет описано ниже.As shown in figures 1B, 4 and 5, the
Режущий ПКА-элемент 52, изображенный на фигуре 4, предназначен для использования при механической обработке на станках. Хотя на фигуре 4 изображен режущий элемент 52 прямоугольного сечения, специалисты понимают, что этот элемент может быть треугольного, квадратного сечения или любой другой формы, подходящей для механической обработки на станке изделий из абразивных материалов, которые трудно обрабатывать обычным инструментом.Cutting PKA-
Режущий ПКА-элемент 10 может изготавливаться в виде спрессованного в таблетку режущего элемента 10 лопастного долота 12 (фигура 2). Корпус головки 14 долота имеет множество лопастей 16, идущих от центра продольной оси вращения 18 долота. На передней поверхности 20 каждой лопасти находится множество режущих ПКА-элементов 10 по настоящему изобретению.The cutting PKA-
Обычно у режущего ПКА-элемента 10 имеется тело в виде круглой таблетки с тонкой передней наружной пластиной 30, изготовленной из алмаза или алмазоподобного материала (ПКА), соединяемого в прессе под высоким давлением и при высокой температуре с подложкой 32, выполненной из менее твердого материала типа спеченного карбида вольфрама. Режущий элемент 10 прессуется в таблетку и затем обычно соединяется с цилиндрическим держателем 34, который также формуется из спеченного карбида вольфрама, или может непосредственно крепиться к лопасти. Режущий ПКА-элемент 10 имеет рабочие поверхности 70 и 72.Typically, the cutting
Цилиндрический держатель 34 устанавливается в гнездо или углубление соответствующей формы, выполненное в лопасти 16. В гнезде обычно держатель 34 припаивается или устанавливается по горячей посадке. При эксплуатации лопастное долото 12 вращается. Масса долота приводится в движение и заставляет режущие элементы врезаться в породу, что обеспечивает резание и/или бурение.The
Режущие ПКА-элементы 10 могут также устанавливаться на калибрующую поверхность 36 бурового долота 12 для расширения ствола скважины, а также для защиты долота 12 от чрезмерного износа в области калибрующей поверхности 36 бурового долота.The cutting
В соответствии со вторым вариантом режущий элемент 50 (фигура 5) по настоящему изобретению устанавливается на шарошечное долото 38 (фигура 3). У шарошечного долота 38 обычно бывает от одной до нескольких шарошек 40, 41, 42, выполненных в виде усеченного конуса, установленных на цапфе лапы 44 корпуса долота 46. Режущие элементы 50 могут устанавливаться в виде одной или большего числа режущих вставок, расположенных рядами шарошек 40, 41, 42, или в другом случае режущие ПКА-элементы 50 могут располагаться на лапе 44 долота 38. Режущий ПКА-элемент 50 имеет тело в виде наружной пластины 35 алмаза или алмазоподобного материала, соединенного с менее твердой подложкой 37. В соответствии с данным вариантом настоящего изобретения наружная грань 35 выполнена в виде полусферической поверхности 39 и имеет рабочие поверхности 70 и 72. Поэтому между наружной пластиной 35 и подложкой 37 часто устанавливаются многочисленные переходные слои, что помогает более равномерно распределять напряжения, возникающие во время изготовления, что хорошо известно специалистам.In accordance with the second embodiment, the cutting element 50 (figure 5) of the present invention is mounted on the roller bit 38 (figure 3). A
При эксплуатации шарошечное долото 38 вращается. Масса долота приводится в движение и заставляет режущие вставки 50, расположенные на шарошках 40, 41, 42, врезаться в породу, и по мере того, как долото 36 вращается шарошки 40, 41, 42 поворачиваются, что обеспечивает бурение.During operation,
В соответствии с другим вариантом настоящего изобретения режущий ПКА-элемент 52 изготавливается в виде треугольного, прямоугольного или другой формы изделия, которое применяется в качестве режущей вставки при механической обработке на станке. В соответствии с этим вариантом настоящего изобретения режущий элемент 52 имеет тело в виде наружной пластины 54 алмаза или алмазоподобного материала, соединенного с менее твердой подложкой 56 с рабочими поверхностями 70 и 72. Обычно после этого режущий элемент 52 врезается во множество более мелких кусочков, сцепленных со вставкой 58, которая монтируется в держателе инструмента металлорежущего станка. Режущий элемент 52 может крепиться на вставке с помощью пайки, клейки, сварки или буртовки. Можно также устанавливать режущий элемент 52 вставки с помощью прессования при высокой температуре и под высоким давлением.In accordance with another embodiment of the present invention, the cutting
Как показано на фигурах 13-18, ПКА-элементы 2, 102, 202 по настоящему изобретению могут также использоваться в других случаях, например в обжимках, изображенных, например, на фигуре 13 в виде волоки для волочения проволоки 300, в которой используется ПКА-элемент 302 по настоящему изобретению. Могут также потребоваться отличные теплопроводные свойства ПКА-элемента 2, 102, 202 в сочетании с его электроизоляционными свойствами для использования в качестве радиатора 310 с ПКА-элементом 312 по настоящему изобретению.As shown in figures 13-18, the
На фигуре 15 показано применение ПКА-элемента 322 в подшипнике скольжения 320, а на фигурах 16А и 16В показаны сопрягающиеся детали трубопроводной арматуры 340, 344 с поверхностями ПКА-элемента 342 по настоящему изобретению. Кроме того, на фигуре 17А показаны инденторы 360 для использования при гравировании, в качестве приборов определения твердости, при нанесении насечек на поверхность и т.п., в которых могут применяться ПКА-элементы 362 по настоящему изобретению. Как показано на фигуре 17В, в пробойниках 370 либо один, либо оба ответных элемента 372, 374 могут выполняться из ПКА-материала по настоящему изобретению. Кроме того, инструментальные оправки 382 и другие типы элементов трения для измерительных устройств 380, изображенные на фигуре 18, могут изготавливаться из ПКА-элементов по настоящему изобретению. Следует понимать, что почти во всех случаях применения поликристаллического алмаза использование ПКА-элементов, обедненных катализирующим материалом по настоящему изобретению, оказывается полезным.Figure 15 shows the use of the
В свете описания настоящего изобретения следует понимать, что в отдельных случаях возможны отступления от продемонстрированных или предложенных здесь вариантов, которые, однако, не меняют по существу объема и сущности настоящего изобретения.In the light of the description of the present invention, it should be understood that in some cases deviations from the options shown or proposed here are possible, which, however, do not change essentially the scope and essence of the present invention.
Claims (13)
Applications Claiming Priority (3)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| US23407500P | 2000-09-20 | 2000-09-20 | |
| US60/234,075 | 2000-09-20 | ||
| US60/281,054 | 2001-04-02 |
Publications (3)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2003107667A RU2003107667A (en) | 2004-12-20 |
| RU2270820C2 true RU2270820C2 (en) | 2006-02-27 |
| RU2270820C9 RU2270820C9 (en) | 2006-07-20 |
Family
ID=27734060
Family Applications (2)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003107667/03A RU2270820C9 (en) | 2000-09-20 | 2001-06-25 | Polycrystalline diamond with catalytic material-depleted surface |
| RU2003107666/03A RU2320615C9 (en) | 2000-09-20 | 2001-09-05 | Cutting member compacted in tablet |
Family Applications After (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2003107666/03A RU2320615C9 (en) | 2000-09-20 | 2001-09-05 | Cutting member compacted in tablet |
Country Status (3)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (2) | RU2270820C9 (en) |
| UA (2) | UA74009C2 (en) |
| ZA (4) | ZA200107479B (en) |
Families Citing this family (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| GB0716268D0 (en) | 2007-08-21 | 2007-09-26 | Reedhycalog Uk Ltd | PDC cutter with stress diffusing structures |
| GB0819257D0 (en) * | 2008-10-21 | 2008-11-26 | Element Six Holding Gmbh | Insert for an attack tool |
| US8789894B2 (en) * | 2009-01-13 | 2014-07-29 | Diamond Innovations, Inc. | Radial tool with superhard cutting surface |
| RU2539639C2 (en) * | 2009-01-16 | 2015-01-20 | Бейкер Хьюз Инкорпорейтед | Forming of cutting elements of polycrystalline diamond, cutting elements thus made and drill bit equipped with such cutting elements |
| US8079428B2 (en) | 2009-07-02 | 2011-12-20 | Baker Hughes Incorporated | Hardfacing materials including PCD particles, welding rods and earth-boring tools including such materials, and methods of forming and using same |
| US8945720B2 (en) | 2009-08-06 | 2015-02-03 | National Oilwell Varco, L.P. | Hard composite with deformable constituent and method of applying to earth-engaging tool |
| RU2559183C2 (en) * | 2010-04-28 | 2015-08-10 | Бейкер Хьюз Инкорпорейтед | Polycrystalline diamond elements, cutting tools and drilling tools including such elements as well as production of such elements and drills |
| US20120012402A1 (en) * | 2010-07-14 | 2012-01-19 | Varel International Ind., L.P. | Alloys With Low Coefficient Of Thermal Expansion As PDC Catalysts And Binders |
| US8997900B2 (en) | 2010-12-15 | 2015-04-07 | National Oilwell DHT, L.P. | In-situ boron doped PDC element |
| WO2013003333A1 (en) * | 2011-06-28 | 2013-01-03 | Varel International Ind., L.P. | Ultrasound assisted electrochemical catalyst removal for superhard materials |
| US9650836B2 (en) * | 2013-03-01 | 2017-05-16 | Baker Hughes Incorporated | Cutting elements leached to different depths located in different regions of an earth-boring tool and related methods |
-
2001
- 2001-06-25 UA UA2003043560A patent/UA74009C2/en unknown
- 2001-06-25 RU RU2003107667/03A patent/RU2270820C9/en active
- 2001-09-05 UA UA2003043561A patent/UA74010C2/en unknown
- 2001-09-05 RU RU2003107666/03A patent/RU2320615C9/en active
- 2001-09-11 ZA ZA200107479A patent/ZA200107479B/en unknown
- 2001-09-11 ZA ZA200107478A patent/ZA200107478B/en unknown
-
2003
- 2003-03-18 ZA ZA200302152A patent/ZA200302152B/en unknown
- 2003-03-18 ZA ZA200302151A patent/ZA200302151B/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| ZA200302152B (en) | 2004-02-12 |
| UA74010C2 (en) | 2005-10-17 |
| UA74009C2 (en) | 2005-10-17 |
| RU2270820C9 (en) | 2006-07-20 |
| ZA200107478B (en) | 2002-03-12 |
| RU2320615C9 (en) | 2008-06-20 |
| ZA200107479B (en) | 2002-04-24 |
| RU2320615C2 (en) | 2008-03-27 |
| ZA200302151B (en) | 2004-02-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6592985B2 (en) | Polycrystalline diamond partially depleted of catalyzing material | |
| EP1190791B1 (en) | Polycrystalline diamond cutters with working surfaces having varied wear resistance while maintaining impact strength | |
| KR100865271B1 (en) | Polycrytalline diamond with a surface depleted of catalyzing material | |
| KR100871594B1 (en) | High Volume Density Polycrystalline Diamond With Working Surfaces Depleted Of Catalyzing Material | |
| US20020074168A1 (en) | Polycrystalline diamond cutters with working surfaces having varied wear resistance while maintaining impact strength | |
| AU2001274230A1 (en) | Polycrystalline diamond with a surface depleted of catalyzing material | |
| RU2270820C2 (en) | Polycrystalline diamond with catalytic material-depleted surface | |
| AU2001286049B2 (en) | High volume density polycrystalline diamond with working surfaces depleted of catalyzing material | |
| IL154979A (en) | Polycrystalline diamond with a surface depleted of catalyzing material | |
| AU2001286049A1 (en) | High volume density polycrystalline diamond with working surfaces depleted of catalyzing material |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| TH4A | Reissue of patent specification | ||
| PD4A | Correction of name of patent owner | ||
| PC41 | Official registration of the transfer of exclusive right |
Effective date: 20140924 |